Usinage CNC vs Impression 3D : Choisir la bonne méthode de fabrication pour votre projet

L'inventeur de la stéréolithographie et fondateur de 3D Systems, Charles Hull, a commencé à vendre des imprimantes 3D en 1986. Quelques années plus tard, Scott Crump de Stratasys a commercialisé sa technologie de modélisation par dépôt de fil fondu. D'autres ont vite suivi, et il n'a pas fallu longtemps pour que des entrepreneurs partout achètent ces machines de « prototypage rapide » et ouvrent des « bureaux de service », des entreprises se concentrant uniquement sur l'impression 3D.

Aujourd'hui, chacun de ces termes autrefois à la pointe est largement obsolète. La fabrication additive n'est plus limitée au prototypage, rapide ou non. Et les bureaux de service ont cédé la place aux e-fabricants, dont les propriétaires et gestionnaires affirment que l'impression 3D complète l'usinage CNC et d'autres procédés de fabrication plus traditionnels, et est devenue juste un autre outil dans leur boîte à outils (quoique très puissant).

Compenser forces et faiblesses

C'est certainement le cas chez Stratasys Direct Manufacturing à Los Angeles, où le vice-président des opérations Greg Reynolds explique que décider quelle technologie de fabrication utiliser pour un projet donné dépend de nombreux facteurs, en commençant par la complexité de la pièce.

« La fabrication additive apporte plusieurs avantages importants sur les procédés conventionnels, particulièrement là où le métal est concerné », dit-il. « En haut de cette liste se trouve la consolidation de pièces. Au lieu d'usiner un tas de pièces puis de les boulonner ou souder ensemble, l'impression 3D métal permet de produire l'assemblage comme une seule pièce, souvent bien plus légère. Avec cela viennent des caractéristiques comme des passages internes, des surfaces balayées complexes et autres formes organiques, et des structures en treillis à parois minces. Chacune de ces caractéristiques est soit très coûteuse, soit carrément impossible à usiner. Pour l'additif, cependant, elles sont assez faciles. »

De l'autre côté, les pièces plus simples, plus monolithiques comme les supports, arbres, boîtiers, et une foule d'autres composants « bloc » restent fermement dans le domaine de l'usinage, que l'atelier fasse une pièce prototype ou une série de production de plusieurs milliers.

Et parce que l'impression 3D ne peut pas rivaliser avec l'usinage en termes de précision, les pièces avec tolérances serrées et finis de surface très lisses sont aussi plus adaptées à un tour CNC ou centre d'usinage.

À cause de cela, beaucoup de pièces plastiques etvirtuellement toutes les pièces métalliques nécessitent un passage post-construction à l'atelier d'usinage pour finir les caractéristiques critiques de la pièce et enlever les supports, le fléau de la plupart des processus d'impression 3D.

Impression 3D : Bien pour géométries complexes, caractéristiques détaillées

« Pour des volumes de production plus bas où la précision de la pièce et le fini de surface ne sont pas la priorité absolue, l'impression 3D est certainement la voie à suivre », dit Gisbert Ledvon, directeur du développement commercial pour machines-outils chez Heidenhain Corp. « C'est aussi vrai pour les pièces avec géométries très complexes, et où l'impression 3D peut produire des caractéristiques qui seraient autrement difficiles à fabriquer. Même s'ils peuvent nécessiter un usinage secondaire, ce genre de pièces sont de plus en plus produites via fabrication additive métal. »

Un moule d'injection plastique est un exemple, dit Ledvon. Au lieu de percer une série de trous de refroidissement style gruyère à travers la base du moule ou ses inserts, comme dans la fabrication de moules traditionnelle, les machines à lit de poudre laser métal (LPBF) peuvent imprimer le moule entier et le remplir de canaux de refroidissement stratégiquement placés, qui épousent et entourent la cavité du moule. Les résultats, dit-il, sont des moules avec des temps de cycle bien plus rapides et une qualité de pièce plus élevée que ce qui serait autrement possible.

Ici encore, des opérations secondaires pour finir la cavité du moule et autres surfaces critiques sont nécessaires ; comme Ledvon et Reynolds le soulignent tous deux, la fabrication additive métal laisse un fini de surface comparable à celui d'une fonderie ou forge.

Les deux experts disent que transférer ces pièces et d'autres d'une imprimante 3D à une machine CNC appelle une stratégie de montage robuste. « Ce serait l'idéal si votre imprimante 3D a un système de palette qui s'intègre avec votre centre d'usinage, car cela fera gagner beaucoup de temps et de maux de tête », dit Ledvon.

Saisir une pièce imprimée 3D est similaire à saisir une pièce de fonderie, ajoute Reynolds, en ce qu'il n'y a souvent pas de point de référence fixe. « Comme avec les fonderies, vous commencez le processus d'usinage depuis une forme quasi-nette (near-net-shape), donc vous devez fraiser ou tourner un point zéro d'abord et puis procéder à partir de là. Cela varie de travail en travail, mais globalement, je dirais que le contrôle dimensionnel est définitivement plus difficile avec les pièces imprimées 3D. »

Le CNC répond au besoin de vitesse

Une autre plume dans le chapeau de l'usinage CNC est la vitesse. Là où les tours CNC et centres d'usinage peuvent arracher la matière d'une barre ou d'un lingot à grands taux, les imprimantes 3D laser métal et polymère sont notoirement lentes, prenant des heures pour produire la plupart des pièces et même des jours pour les plus grosses.

Pourtant, les lasers sont loin d'être la seule façon de lier les matériaux. La fabrication additive se vante de sept technologies distinctes et de nombreux dérivés, certains devenus carrément rapides ces dernières années. Par exemple, des fabricants d'imprimantes 3D comme Markforged ont développé des machines à jet de liant capables d'imprimer de grandes quantités de pièces « vertes » qui sont ensuite frittées, imitant le procédé de moulage par injection de métal vieux de décennies. Et les imprimantes à dépôt de fil fondu comme celles de MakerBot et de la société mère Stratasys n'ont pas seulement devenir bien plus rapides qu'aux débuts de Scott Crump, mais peuvent maintenant imprimer certains métaux.

De même, le procédé de stéréolithographie de Chuck Hull s'est étendu pour inclure le traitement numérique de lumière, qui polymérise des couches entières de résine photopolymère en un seul passage au lieu de les tracer laborieusement ligne par ligne avec une source UV.

Ces imprimantes polymères et d'autres sont aussi bien plus précises qu'avant (bien que encore loin de l'usinage), et quand utilisées conjointement avec l'équipement dit de « polissage vapeur », peuvent produire des finis de surface exceptionnels.

Puis il y a la fusion par absorption sélective de Stratasys. Bien que actuellement limitée au Nylon PA11 éco-responsable, elle imprime des pièces en utilisant une encre propriétaire qui abaisse le point de fusion de toute poudre polymère qu'elle touche. Exposées à une source de chaleur infrarouge, ces zones fusionnent pour produire des pièces pleinement fonctionnelles. « Peu importe que ce soit une pièce ou 1 000, les vitesses de construction sont les mêmes », dit Reynolds. « Cela la rend idéalement adaptée pour des volumes de production plus élevés, et comme elle ne met pas autant de chaleur dans la pièce que le frittage laser sélectif (SLS), l'intégrité matérielle est généralement meilleure. »

Réduire le temps de production

L'outillage est encore une autre distinction importante entre l'impression 3D et la fabrication traditionnelle. Comme la première est un processus entièrement numérique, il n'y a pas besoin de gabarits, montages et autre outillage (mis à part celui utilisé en post-traitement) requis avec les procédés de fabrication traditionnels.

Cela offre de nombreux avantages, le plus évident étant l'élimination de tout ou partie des coûts d'outillage. Mais il y a aussi le délai nécessaire pour fabriquer les outils, et quand prêts, les installer sur la machine-outil, reprendre le zéro programme, et ensuite valider le programme CNC. Une imprimante 3D, de l'autre côté, peut passer du modèle CAO à la pièce finie en aussi peu que quelques heures.

Reynolds note que l'impression 3D est devenue plus automatisée últimement pour le décapage et l'enlèvement des supports, bien que l'automatisation joue aussi un rôle plus grand dans d'autres types de fabrication.

Quoi qu'il en soit, choisir comment produire une pièce donnée est une décision complexe, qui dépend de la quantité du travail, la géométrie de la pièce, sa précision et fini de surface, le matériau, et une foule d'autres facteurs.

Les métallurgistes essayant de décider entre les deux techniques peuvent télécharger une pièce sur le site de Stratasys pour un devis instantané et découvrir quelle voie est la plus rapide et la plus efficace.

« Pour ceux qui auraient envisagé d'investir dans leur propre imprimante 3D à un moment donné et l'ont trouvée soit trop chère, soit pas assez capable, je les encouragerais à y jeter un autre œil », dit-il. « C'est devenu une technologie très mature et, comme les tours CNC et centres d'usinage, n'est qu'une façon de plus de faire des pièces. »

Sondage rapide : Avantage fabrication additive

La fabrication additive est de plus en plus utilisée pour compléter l'usinage et les procédés de fabrication plus traditionnels.

Quels sont les avantages de la fabrication additive pour votre entreprise ?